JP6186170B2 - セメント急結材及びそれを用いたセメント組成物 - Google Patents
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Description
トンネルの吹付け工法等に使用されるセメント急結材としては、カルシウムアルミネートを主成分とし、その他に、炭酸ナトリウムやアルミン酸ナトリウムを含有するものなど、これまでに数多く提案されている(特許文献1〜5)。
これらのセメント急結材に含まれる炭酸ナトリウムやアルミン酸ナトリウムはカルシウムアルミネートの反応を助長したり、それ自身がゲル化してごく初期のこわばりを与えるものであり、セメント急結材には欠くことのできない成分であると考えられている。
しかしながら、ナトリウムなどのアルカリ金属はコンクリート中の骨材と反応し、アルカリシリケートゲルを生成して膨潤し、膨張破壊を招く、いわゆる、アルカリ骨材反応を引き起こすという課題があった。
また、アルカリフリーであって、アルカリ金属を含有する急結材と同等以上の急結性状を有する急結材が開発されているものの(特許文献6)、液体と粉体を併用することや強酸性物質を使用することから、より簡便で安全な材料が求められていた。
なお、本発明で使用する部や%は、特に規定のない限り質量基準である。
また、本発明のセメント組成物とは、セメント組成物、モルタル組成物、コンクリート組成物を総称するものである。
クリンカーは、通常、5〜30mm位の大きさの塊であり、粉砕して使用されるが、本発明の云うクリンカーとは、塊状、粉状などを総称するものである。
カルシウムアルミネートは、カルシアを含む原料と、アルミナを含む原料とを混合して、キルンでの焼成や、電気炉での溶融等の熱処理をして得られる、CaOとAl2O3とを主たる成分とし、水和活性を有する物質の総称であり、CaO及び/又はAl2O3の一部が、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等と置換した化合物、あるいは、CaOとAl2O3とを主成分とするものに、これらが少量固溶した物質である。
なお、本発明の効果を阻害しない範囲でCaO、Al2O3、CO2以外のその他の成分を含有しても構わない。その他の成分としては、SiO2、Fe2O3、MgO、TiO2、ZrO2、MnO、P2O5、Na2O、K2O、Li2O、硫黄、フッ素、塩素や水分等の強熱減量成分等が挙げられる。その他の成分の含有量は、通常、0〜10%の範囲である。
鉱物形態としては結晶質、非晶質いずれであってもよい。結晶質の具体例としては、例えば、CaOをC、Al2O3をA、R2O(Na2O、K2O、Li2O)をRとすると、C3Aやこれにアルカリ金属が固溶したC14RA5、CAやC12A7やC11A7CaF2、C4A・Fe2O3、及びC3A3・CaSO4等が挙げられる。
カルシウムアルミネートを製造する熱処理方法は、特に限定されるものではないが、例えば、ロータリーキルンや電気炉等を使用する方法が挙げられ、原料の熱処理温度は特に限定されるものではないが、通常、1000〜1700℃程度で行われる。
本発明の炭酸成分を含むCaO-Al2O3系クリンカーの化学成分は、CaOを39.9〜70%、Al2O3を29.9〜60%、炭酸成分をCO2換算で0.1〜5%含有することが好ましく、CaOが45〜65%、Al2O3が35〜55%、炭酸成分はCO2換算で0.1〜5%であることが好ましい。この成分範囲にないと、充分な急結性状が得られない場合がある。
なお、カルシウムアルミネートの炭酸化はクリンカーを粉砕しながら炭酸化しても良いし、クリンカーを粉砕してから炭酸化しても良い。
本発明のCaO-Al2O3系クリンカーを炭酸化処理に使用する容器は、特に限定されるものではなく、クリンカーと炭酸ガスを接触させ反応させることが出来ればよく、電気炉でも良いし、流動層式加熱炉でも良いし、クリンカーを粉砕するミルでも良い。
本発明で使用する、炭酸成分を含むCaO-Al2O3系クリンカーに含まれる炭酸成分は、無機炭素分析法によって測定することができる。クリンカーに塩酸をかけ、発生するCO2を吸収液に吸収させ、滴定法によって定量することができる。具体的な装置としては、日本アンス株式会社製「クーロメーター」などを用いることができる。
また、炭酸成分を含むCaO-Al2O3系クリンカーであるかどうかは電子顕微鏡などによって確認することができる。具体的には、クリンカー表面に電子線を照射したり、クリンカーを樹脂で包埋し、アルゴンイオンビームで表面処理を行い、粒子断面の組織を観察するとともに、元素分析を行うことで、CaO、Al2O3、炭酸成分を含んでいるか確認することができる。
本発明で使用するアルミニウム化合物の具体例としては、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、塩化アルミニウム、硫酸アルミニウム、塩基性硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、亜硝酸アルミニウム、及びオキシ水酸化アルミニウムなどのアルミニウム化合物等が挙げられる。
本発明では、これらのうちの一種又は二種以上を使用することができるが、塩素を含まず、鉄筋コンクリート構造物への使用も可能である面から、硫酸アルミニウム、塩基性硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、亜硝酸アルミニウムが好ましい。
表1に示す、クリンカー及びアルミニウム化合物を配合してセメント急結材を調製した。セメント100部、砂300部、及び水60部を混練してモルタルを調製した後、セメントとセメント急結材からなるセメント組成物100部中、セメント急結材7部を添加して10秒間混練し混練物を作製し、その凝結時間を測定した。結果を表1に併記する。なお、市販されているアルカリを含有するセメント急結材についても同様に試験を行った。
セメント:市販の普通ポルトランドセメント
クリンカーA:CaO63.6%、Al2O334.4%、CO20%、その他2.0%。1450℃焼成粉砕品。ブレーン比表面積6000cm2/g。
クリンカーB:クリンカーAを炭酸ガスとして100体積%のCO2ガスをフローしながら600℃雰囲気で炭酸ガス処理したもの。CaO62.7%、Al2O333.8%、CO21.5%、その他2.0%。ブレーン比表面積6000cm2/g。
クリンカーC:クリンカーAを20℃、湿度60%RH雰囲気で1ヶ月間さらし、自然に炭酸化させたもの。CaO63.5%、Al2O334.4%、CO20.1%、その他2.0%、6000cm2/g。
クリンカーD:クリンカーAを炭酸ガスとして100体積%のCO2ガスをフローしながら200℃雰囲気で炭酸ガス処理したもの。CaO%63.5、Al2O334.4%、CO20.2%、その他1.9%、ブレーン比表面積6000cm2/g。
クリンカーE:クリンカーAを炭酸ガスとして100体積%のCO2ガスをフローしながら400℃雰囲気で炭酸ガス処理したもの。CaO%63.2、Al2O334.3%、CO20.6%、その他1.9%、ブレーン比表面積6000cm2/g。
クリンカーF:クリンカーAを炭酸ガスとして100体積%のCO2ガスをフローしながら800℃雰囲気で炭酸ガス処理したもの。CaO62.7%、Al2O333.8%、CO21.6%、その他1.9%、ブレーン比表面積6000cm2/g。
クリンカーG:クリンカーAを炭酸ガスとして100体積%のCO2ガスをフローしながら1000℃雰囲気で炭酸ガス処理したもの。CaO63.6%、Al2O334.4%、CO20%、その他2.0%、ブレーン比表面積6000cm2/g。
アルミニウム化合物イ:硫酸アルミニウム18水和物、市販品
アルミニウム化合物ロ:硝酸アルミニウム9水和物、市販品
市販品α:市販のセメント急結剤、アルカリ含有量17%、主成分非晶質カルシウムアルミネート
市販品β:市販のセメント急結剤、アルカリ含有量21%、主成分結晶質カルシウムアルミネート
水:水道水
細骨材:ケイ砂
凝結時間:ASTM C 403に準じて、混練物を迅速に型枠に詰めプロクター貫入抵抗値を測定して凝結時間の始発と終結を測定した。
Claims (3)
- 200〜800℃の高温雰囲気で炭酸化してなる、炭酸成分を含むCaO-Al2O3系クリンカーと、アルミニウム化合物を含有してなるセメント急結材。
- 炭酸成分を含むCaO-Al2O3系クリンカーが、CaOを39.9〜70%、Al2O3を29.9〜60%、炭酸成分をCO2換算で0.1〜5%含有してなる請求項1記載のセメント急結材。
- セメントに請求項1又は2記載のセメント急結材を配合してなるセメント組成物。
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